Perjalanan Webb untuk Memahami Atmosfer Aneh di Dunia Jauh

Analisis spektral inframerah dekat dari terminator mengonfirmasi perbedaan dalam atmosfer pagi dan sore.

Sejak pertama kali planet ekstrasurya Ditemukan pada tahun 1992, ribuan planet yang mengorbit bintang di luar tata surya kita telah dikonfirmasi melalui berbagai metode yang berbeda, termasuk pencitraan langsung, pelensaan mikro gravitasi, pengukuran transit, dan astrometri. Selama bertahun-tahun, teknik telah berkembang untuk mempelajari eksoplanet ini, dengan para astronom mempelajari detail tentang komposisi atmosfer dari dunia yang jauh ini.

NASA'S Teleskop Luar Angkasa James Webb terus memajukan bidang studi ini dan memperdalam pemahaman kita tentang keanekaragaman exoplanet dan atmosfernya.

Apa yang baru? Webb telah memungkinkan para astronom untuk mengungkap perbedaan atmosfer antara pagi dan sore di sebuah exoplanet yang terkunci pasang surut — sebuah pencapaian luar biasa untuk sebuah dunia yang berjarak sejauh WASP-39 b, 700 tahun cahaya dari Bumi.

Teleskop Luar Angkasa Webb Menyelidiki Matahari Terbit dan Matahari Terbenam Abadi di Dunia yang Jauh

Para peneliti yang menggunakan Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA akhirnya mengonfirmasi apa yang sebelumnya diprediksi oleh model: Sebuah exoplanet memiliki perbedaan antara atmosfer pagi yang terus-menerus dan atmosfer malam yang terus-menerus. WASP-39 b, sebuah planet raksasa dengan diameter 1,3 kali lebih besar dari Jupitertapi massanya mirip dengan Saturn mengorbit bintang sekitar 700 tahun cahaya dari Bumi, planet ini terkunci secara pasang surut dengan bintang induknya. Ini berarti planet ini memiliki sisi siang dan malam yang konstan—satu sisi planet selalu terpapar bintangnya, sementara sisi lainnya selalu diselimuti kegelapan.

Dengan menggunakan NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) milik Webb, para astronom mengonfirmasi perbedaan suhu antara pagi abadi dan sore abadi di WASP-39 b, dengan sore hari tampak sekitar 300 derajat lebih hangat. derajat fahrenheit derajat (sekitar 200 Celsius derajat). Mereka juga menemukan bukti adanya perbedaan tutupan awan, dengan bagian-bagian planet yang selalu berawan di pagi hari cenderung lebih berawan daripada bagian-bagian di malam hari.

Animasi ini menjelaskan bagaimana Webb menggunakan spektroskopi transmisi untuk mempelajari atmosfer eksoplanet yang jauh. Kredit: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak

Kemajuan dalam Studi Atmosfer Exoplanet

Para astronom menganalisis spektrum transmisi 2 hingga 5 mikron dari WASP-39 b, sebuah teknik yang mempelajari terminator eksoplanet, batas yang memisahkan sisi siang dari sisi malam planet. Spektrum transmisi dibuat dengan membandingkan cahaya bintang yang disaring melalui atmosfer planet saat bergerak di depan bintangnya, dengan cahaya bintang yang tidak disaring yang terdeteksi saat planet berada di sebelah bintangnya. Dengan melakukan perbandingan ini, para peneliti dapat mempelajari tentang suhu, komposisi, dan sifat-sifat lain dari atmosfer planet.

“WASP-39 b telah menjadi semacam planet referensi dalam mempelajari atmosfer exoplanet dengan Webb,” kata Néstor Espinoza, seorang peneliti exoplanet di Institut Sains Teleskop Luar Angkasa dan penulis utama penelitian tersebut. “Atmosfer mengembang dan tebal, sehingga sinyal dari cahaya bintang yang menembus atmosfer planet ini cukup kuat.”

Kurva cahaya dari Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) Teleskop Luar Angkasa James Webb milik NASA menunjukkan perubahan kecerahan sistem bintang WASP-39 seiring waktu saat planet tersebut melintasi bintang tersebut. Pengamatan dilakukan menggunakan mode rangkaian waktu objek terang milik NIRSpec, yang menggunakan kisi untuk menyebarkan cahaya dari satu objek terang (seperti bintang induk WASP-39 b) dan mengukur kecerahan setiap panjang gelombang cahaya pada interval waktu tertentu. Kredit: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Wawasan tentang Suhu dan Komposisi Atmosfer

Spektrum atmosfer WASP-39b yang diterbitkan Webb sebelumnya, yang mengungkap keberadaan karbon dioksida, sulfur dioksida, uap air, dan natrium, mewakili keseluruhan batas siang/malam – tidak ada upaya terperinci untuk membedakan antara satu sisi dan sisi lainnya.

Kini, analisis baru tersebut membangun dua spektrum terpisah dari wilayah terminator, yang pada dasarnya membagi batas siang/malam menjadi dua setengah lingkaran, satu dari sore hari, dan satu dari pagi hari. Data menunjukkan bahwa sore hari jauh lebih hangat, pada suhu 1.450 derajat Fahrenheit (800 derajat Celsius), dan pagi hari relatif lebih dingin, pada suhu 1.150 derajat Fahrenheit (600 derajat Celsius).

Spektrum transmisi ini, yang diambil menggunakan mode deret waktu objek terang PRISM NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) Webb, menunjukkan jumlah cahaya bintang inframerah dekat yang terhalang oleh atmosfer planet ekstrasurya gas panas WASP-39 b. Spektrum tersebut menunjukkan bukti jelas adanya air dan karbon dioksida, serta variasi suhu antara pagi dan sore di planet ekstrasurya tersebut.
Analisis baru spektrum transmisi WASP-39 b menghasilkan dua spektrum berbeda dari batas siang/malam eksoplanet yang tetap, yang pada dasarnya membagi wilayah terminator menjadi dua setengah lingkaran, satu dari malam hari dan satu dari pagi hari. Data menunjukkan bahwa malam hari jauh lebih hangat, pada suhu 1.450 derajat Fahrenheit (800 derajat Celsius), dan pagi hari relatif lebih dingin, pada suhu 1.150 derajat Fahrenheit (600 derajat Celsius).
Garis biru dan kuning mewakili model paling sesuai yang memperhitungkan data, sifat yang diketahui dari WASP-39 b dan bintangnya (misalnya, ukuran, massa, suhu), dan karakteristik atmosfer yang diasumsikan.
Kredit: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Implikasi Variasi Suhu

“Sungguh menakjubkan bahwa kami mampu mengungkap perbedaan-perbedaan kecil ini, dan itu hanya mungkin karena sensitivitas Webb pada panjang gelombang inframerah dekat dan sensor fotometriknya yang sangat stabil,” kata Espinoza. “Setiap gerakan kecil pada instrumen atau pada observatorium saat mengumpulkan data akan sangat membatasi kemampuan kami untuk melakukan deteksi ini. Itu harus sangat tepat, dan Webb adalah seperti itu.”

Pemodelan data yang ekstensif juga memungkinkan para peneliti untuk menyelidiki struktur atmosfer WASP-39 b, tutupan awannya, dan mengapa planet ini lebih hangat di malam hari. Sementara penelitian mendatang oleh tim akan meneliti bagaimana tutupan awan dapat memengaruhi suhu, dan sebaliknya, para astronom mengonfirmasi sirkulasi gas di sekitar planet sebagai penyebab utama perbedaan suhu di WASP-39 b.

Memahami Pola Angin Planet dan Dinamika Suhu

Pada eksoplanet yang sangat teradiasi seperti WASP-39 b yang mengorbit relatif dekat dengan bintangnya, para peneliti umumnya memperkirakan gas akan bergerak saat planet tersebut berputar mengelilingi bintangnya: Gas yang lebih panas dari sisi siang akan bergerak melalui sisi malam ke sisi malam melalui aliran jet ekuatorial yang kuat. Karena perbedaan suhu sangat ekstrem, perbedaan tekanan udara juga akan signifikan, yang pada gilirannya akan menyebabkan kecepatan angin yang tinggi.

Dengan menggunakan Model Sirkulasi Umum, model 3-D yang mirip dengan yang digunakan untuk memprediksi pola cuaca di Bumi, para peneliti menemukan bahwa pada WASP-39 b angin yang bertiup cenderung bergerak dari sisi malam melintasi terminator pagi, mengitari sisi siang, melintasi terminator sore, dan kemudian mengitari sisi malam. Akibatnya, sisi pagi terminator lebih dingin daripada sisi sore. Dengan kata lain, sisi pagi diterpa angin yang telah didinginkan di sisi malam, sedangkan sisi sore diterpa angin yang telah dihangatkan di sisi siang. Studi tersebut menunjukkan bahwa kecepatan angin di WASP-39 b dapat mencapai ribuan mil per jam!

Arah Penelitian Masa Depan dan Kontribusi Awal Webb terhadap Sains

“Analisis ini juga sangat menarik karena Anda memperoleh informasi 3D tentang planet yang sebelumnya tidak Anda peroleh,” tambah Espinoza. “Karena kita dapat mengetahui bahwa tepi malam lebih panas, artinya tepi malam sedikit lebih mengembang. Jadi, secara teoritis, ada gelombang kecil di terminator yang mendekati sisi malam planet.”

Hasil penelitian tim ini telah dipublikasikan di jurnal Alami.

Para peneliti sekarang akan mencoba menggunakan metode analisis yang sama untuk mempelajari perbedaan atmosfer di Jupiter panas lain yang terkunci pasang surut, sebagai bagian dari Program Pengamat Umum Webb Cycle 2 3969.

WASP-39 b merupakan salah satu target pertama yang akan dianalisis Webb saat memulai operasi sains rutin pada tahun 2022. Data untuk studi ini dikumpulkan di bawah program Early Release Science 1366, yang dirancang untuk membantu para ilmuwan mempelajari dengan cepat cara menggunakan instrumen teleskop dan mewujudkan potensi ilmiahnya secara penuh.

Referensi: “Terminator tak homogen di exoplanet WASP-39 b” oleh Néstor Espinoza, Maria E. Steinrueck, James Kirk, Ryan J. MacDonald, Arjun B. Savel, Kenneth Arnold, Eliza M.-R. Kempton, Matthew M. Murphy, Ludmila Carone, Maria Zamyatina, David A. Lewis, Dominic Samra, Sven Kiefer, Emily Rauscher, Duncan Christie, Nathan Mayne, Christiane Helling, Zafar Rustamkulov, Vivien Parmentier, Erin M. May, Aarynn L. Carter, Xi Zhang, Mercedes López-Morales, Natalie Allen, Jasmina Blecic, Leen Decin, Luigi Mancini, Karan Molaverdikhani, Benjamin V. Rackham, Enric Palle, Shang-Min Tsai, Eva-Maria Ahrer, Jacob L. Bean, Ian JM Crossfield, David Haegele, Eric Hébrard, Laura Kreidberg, Diana Powell, Aaron D. Schneider, Luis Welbanks, Peter Wheatley, Rafael Brahm dan Nicolas Crouzet, 15 Juli 2024, Alami.
DOI: 10.1038/s41586-024-07768-4

Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) adalah observatorium besar berbasis luar angkasa yang diluncurkan pada 25 Desember 2021. Ini adalah proyek kolaboratif yang melibatkan NASA, Badan Antariksa Eropa (ESA), dan Badan Antariksa Kanada (CSA). Sebagai penerus ilmiah Teleskop Luar Angkasa HubbleJWST dirancang untuk memberikan resolusi dan sensitivitas yang belum pernah ada sebelumnya dalam rentang inframerah spektrum elektromagnetik. Kemampuan ini akan memungkinkan para astronom untuk mempelajari setiap fase sejarah kosmik—dari cahaya pertama hingga Dentuman Besarhingga pembentukan tata surya yang mampu mendukung kehidupan di planet seperti Bumi, hingga evolusi Tata Surya kita sendiri. Diposisikan di titik Lagrange kedua (L2), JWST akan mengeksplorasi berbagai pertanyaan ilmiah, membantu mengungkap wawasan baru tentang struktur dan asal usul alam semesta.